Конструктивный тепловой расчет рекуперативного теплообменного аппарата.

Теплообменный аппарат (теплооб­менник) — это устройство, предназна­ченное для нагревания, охлаждения или для изменения агрегатного состояния теплоносителя. Чаще всего в теплообменных аппаратах осуществляется пере­дача теплоты от одного теплоносителя к другому, т. е. нагревание одного тепло­носителя происходит за счет охлаждения другого.

Теплообменники с двумя теплоноси­телями в зависимости от способа переда­чи теплоты от одного теплоносителя к другому можно разделить на несколько типов: смесительные, рекупе­ративные, регенеративные и с промежуточным теплоно­сителем.

В рекуперативных теплообменниках теплота от одного теплоносителя к друго­му передается через разделяющую их стенку. Для уменьшения термического сопротивления стенка выполняется из материала с хорошей теплопроводно­стью: меди, стали, латуни, сплавов алю­миния и т. д.

Провести конструктивный тепловой расчет рекуперативного теплообменника, в котором воздухом при температуре t_в =17⁰С охлаждается вода проходящая по трубкам от t^I₂ = 94 до t^II₂ = 65 . Объемный расход воды V₂ = 9,5 л/с .

Материал трубок – латунь (λ = 106 Вт/(м К) диаметром (d_вн/ d_н = 16/18).

Коэффициент использования поверхности теплообмена η_F – принять равным 0,8. Коэффициент оребрения – К = 8.

Скорость течения воды в трубах теплообменников обычно принимается равной .

Определим среднюю температуру воды.

;

;

;

Теплофизические свойства воды будем брать из справочника при средней температуре воды , а воздуха при температуре .

Теплофизические свойства воды :

Pr = 2,21; λ = 0, 675 Вт/м∙К; ν = 3,65 Е−07,м²/с

c_p (94)= 4,21 ; c_p (65)=4,183 ; ρ = 970,5

Теплофизические свойства воздуха

Pr = 0,703; λ = 0,02593 Вт/м∙К; ν = 1,5 Е−05,м²/с

Рассчитаем тепловой поток, который выделится при охлаждении воды:

,

где - массовый расход теплоносителя;

- теплоемкость при ;

- теплоемкость при ;

- температура воды начальная и конечная соответственно;

кВт;

Рассчитаем средний перепад температур, считается по разности средних температур.

Δt = Δt₂ − Δt₁

;

;

Рассчитаем суммарное сечение труб для прохода воды.

;

м²;

м²;

Рассчитаем площадь внутреннего сечения одной трубы.

;

м²;

м²;

Рассчитаем число параллельно включенных трубок.

;

;

;

Рассчитаем уточнённое значение скорости течения воды в трубках.

;

м²/с;

м²/с;

Для расчёта коэффициентов теплоотдачи, температуру стенки примем равной средней между температурами теплоносителей.

;

;

;

Определим число Рейнольдса для воды, движущейся по трубам.

;

;

> 10⁴ ; Режим движения – турбулентный.

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи.

Для его вычисления воспользуемся определением числа Нуссельта:

Nu₂ = ; откуда ;

Для определения числа Нуссельта используем следующую формулу:

Nu₂ = 0,021∙Re^0,8∙Pr^0,43_ж∙ ( )^0,25 = = 127,23

α₂ = = 5725,3 Вт/м²∙К

Скорость движения воздуха, обтекающего трубы с водой принимаем равной 20 м/с, за определяющий размер принимаем Х = 0,6 м.

Найдём число Рейнольдса для пары воздуха- теплообменник.

;

;

> 10⁴. Режим движения – турбулентный.

Так как воздух омывает не одну, а пучок труб, необходимо выбрать тип расположения труб в теплообменнике: шахматный или коридорный. От расположения труб в значительной степени зависят характер движения жидкости, омывание труб каждого ряда и в целом теплообмен в пучке. При коридорном расположении трубы любого ряда затеняются соответственными трубами предыдущего ряда, что ухудшает омывание в лобовой части, и большая часть трубы находится в слабой вихревой зоне. При шахматном расположении труб этого не происходит, поэтому наиболее целесообразно здесь использовать шахматное расположение труб.

Рассчитаем число Нуссельта для шахматного расположения.

где c = 0,41; n = 0,6 ; ξ_φ = 1; ξ_s = 1

Определим коэффициент теплоотдачи.

;

;

;

Определяем коэффициент теплопередачи теплообменника.

;

;

Определяем площадь теплообменника.

;

м²;

м²;

Определяем реальную площадь теплообменника по коэффициенту использования поверхности.

;

м²;

м²;

Определяем длину трубки.

;

м;

м